Oxidação Eficiente e Nano-Dispersão de Fibras de Seda Bombyx mori e Antheraea pernyi para Membranas de Alto Desempenho

Resumo

Relatamos um método escalável e ambientalmente benigno que oxida fibras de seda Bombyx mori (BS) e Antheraea pernyi (AS) com hipoclorito de sódio, depois sonica a suspensão oxidada para produzir nanofibras de seda individuais (SNs) de ~105–112 nm de diâmetro e >1 µm de comprimento. A moldagem destas SNs produz membranas opticamente transparentes (≥75% transmissão de luz) que são mecanicamente robustas (≈4,5 GPa módulo de Young) e exibem hidrofilicidade aumentada. Ajustando o pH, as SNs carregadas negativamente agregam e podem ser redispersas, permitindo concentração até ~20% em peso — aumento de 100 vezes sobre a dispersão inicial — facilitando armazenamento, transporte e aplicações de engenharia downstream.

Introdução

Materiais hierárquicos na natureza entregam propriedades superiores combinando química de polímero com organização estrutural. Imitar esta estratégia em materiais sintéticos demanda processos que preservem nanoestruturas nativas enquanto sendo custo-efetivos e escaláveis. Métodos tradicionais para isolar nanofibras de celulose ou quitina — como oxidação mediada por TEMPO — dependem de reagentes caros ou tóxicos e tipicamente produzem dispersões de baixa concentração, limitando uso prático. Seda, produzida por insetos e aranhas, também apresenta arquitetura fibrosa multi-escala, oferecendo desempenho mecânico e bioquímico notável. No entanto, extrair nanofibras de seda individuais permanece desafiador devido à alta cristalinidade e forte adesão inter-fibrilas inerentes à fibroína de seda.

Nossa abordagem adapta o conceito de oxidação seletiva sem necessidade de catalisadores TEMPO ou NaBr. Introduzindo grupos carboxila através de oxidação com NaClO, alcançamos repulsão eletrostática suficiente para dispersar fibras de seda em nanofibras estáveis, enquanto retemos o núcleo cristalino β-folha que confere resistência. As SNs resultantes demonstram características ópticas, mecânicas e de molhabilidade superiores, e comportamento único de agregação-dispersão impulsionado por pH que permite empacotamento de alta densidade.

Materiais e Métodos

Oxidação de Fibras de Seda Desmontadas

Fibras brutas BS e AS (Xiehe Silk Co.) foram fervidas em Na₂CO₃ 0,02 M (1:400 p/p) por 30 min, lavadas e secas. Fibras desengomadas foram então imersas em ácido fórmico 88% (1:20 p/p) à temperatura ambiente por ≥1 h, seguido de homogeneização a 10.000 rpm por 3 min. Centrifugação a 8.000 rpm produziu fibras desmontadas sólidas.

Para oxidação, 1 g de fibras desmontadas foi adicionado a 100 mL água. NaClO foi introduzido enquanto NaOH mantinha pH 10; a reação foi extinta com HCl 0,5 M para pH 7. Fração insolúvel em água foi coletada por centrifugação (10.000 rpm), lavada e sonicada (19,5 kHz, 300 W, 20 min) em banho de gelo para evitar superaquecimento, produzindo dispersão de SNs.

Difração de Raios-X

Padrões de difração foram registrados em Rigaku Ultima IV com Cu-Kα (λ = 0,1542 nm). Desconvolução foi realizada usando PeakFit 4.0, com posições de pico fixadas por análise de segunda derivada.

Morfologia

Dispersões de SNs diluídas (0,01% em peso) foram depositadas em wafers de silício ou grades de Cu revestidas de carbono, secas e imageadas por MEV JEOL JSM-7600F (5 kV) e TEM FEI Titan 80-300 (80 kV). Dimensões das partículas foram quantificadas com ImageJ.

Testes Mecânicos

Membranas (~50 µm espessas) de BS, AS, celulose (CN) e quitina (ChN) nanofibras foram moldadas por evaporação de solvente. Tirass (60–80 mm × 5 mm) foram testadas em testador universal AG-Xplus (1 mm/min, vão inicial 20 mm).

Propriedades Ópticas e de Molhabilidade

Transmitância (350–800 nm) foi medida com Ultrospec 2100 pro. Ângulos de contato foram determinados por medidor de gota (Kyowa Interface Science), analisando gotas de água de 4 µL dentro de 0,5 s.

Resultados e Discussão

Oxidação e Isolamento de Nanofibras de Seda

Nosso fluxo de trabalho (Figura 1) começa com pré-tratamento com ácido fórmico, produzindo microfibras (5–20 µm). Subsequente oxidação com NaClO (mantida a pH 10) introduz grupos carboxila convertendo grupos hidroximetil de serina. Concentração de carboxila aumentou linearmente com adição de NaClO; 10 mM g⁻¹ proteína forneceu ~0,72 mg g⁻¹ (BS) e ~0,84 mg g⁻¹ (AS) enquanto preservou >75% da massa proteica.

Sonicação da fração insolúvel em água oxidada produziu SNs com diâmetros de 105 ± 27 nm (BS) e 112 ± 33 nm (AS) e comprimentos >1 µm, alcançando rendimento ~50% relativo à entrada oxidada.

Cristalinidade

XRD confirmou que cristalinidade β-folha permaneceu intacta pós-oxidação. Desconvolução revelou aumento de cristalinidade de 24,8% para 41,3% (BS) e 22,9% para 39,2% (AS) com tratamento de 10 mM g⁻¹ NaClO, refletindo remoção seletiva de regiões amorfas sem comprometer núcleo cristalino.

Desempenho de Membranas

Membranas de SNs foram ópticamente claras (>75% transmitância), mecanicamente fortes (módulo de Young 4,51 ± 0,71 GPa para BS, 4,43 ± 0,23 GPa para AS) e mais hidrofílicas que seda regenerada (ângulos de contato 58,8° BS, 55,7° AS, 40,3° CN, 52,5° ChN).

Agregação-Dispersão Responsiva a pH

SNs carregam potencial zeta negativo (~−40 mV) a pH neutro. Baixar pH protege cargas de carboxila, causando agregação; elevar pH >7 redispersa as fibras. Agregados podem ser recuperados por centrifugação e redispersos, alcançando concentração ~100 vezes maior (≈20% em peso) da dispersão inicial ~0,2% em peso, ressaltando sua adequada para liberação de fármacos e manuseio conveniente.

Conclusões

Demonstramos rota simples e escalável para nanofibras individuais de seda BS e AS via oxidação com NaClO sem catalisadores tóxicos. As SNs ~110 nm possuem alta razão de aspecto, mantêm integridade cristalina e formam membranas transparentes e robustas. Sua agregação-dispersão controlada por pH e empacotamento de alta densidade as tornam atraentes para aplicações avançadas de materiais e biomédicas.